在1922年,俄国理论家亚历山大·A·弗里德曼(Alexander A. Friedmann)意识到爱因斯坦的宇宙是不稳定的,最轻微的扰动也会引起宇宙膨胀或收缩。同时洛厄尔天文台(Lowell Observatory)的维斯托·M·斯莱弗(Vesto M. Slipher)发现了星系正在相互远离的首个证据。随后,杰出的天文学家埃德温·哈勃在1929年又证明了星系远离我们的速度与它离我们的距离大致成正比。
宇宙膨胀意味着,宇宙从一团高度致密的物质演化为今天彼此相距遥远的星系。英国宇宙学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)是第一个给上述过程取名“大爆炸”(the big bang)的人,他的本意是想讽刺这个理论,但这个名字实在太生动了,便就此流传开来。不过这个名字将宇宙膨胀描绘得好像是空间中一点上的某个物质发生了某种爆炸,多少有些误导人。
事实上,这个宇宙背景热辐射已经被发现了。20世纪40年代,美国麻省理工学院的罗伯特·H·迪克(Robert H. Dicke)一直致力于改进雷达,他发明了微波辐射计——一种检测微弱辐射的设备。到了上世纪60年代,贝尔实验室开始在望远镜上使用辐射计来追踪早期通讯卫星Echo-1和Telstar。没有想到,建造该设备的工程师探测到了额外的辐射信号,随后,阿诺·A·彭齐亚斯(Arno A. Penzias)和罗伯特·W·威尔逊(Robert W. Wilson)鉴定出这个信号是宇宙背景辐射。有意思的是,彭齐亚斯和威尔逊的这个思路源于迪克的启发,因为迪克曾建议人们用辐射计来搜寻宇宙背景辐射。
轻元素合成理论是在第二次世界大战之后的科研热潮中出现的。乔治·伽莫夫(George Gamow)、乔治·华盛顿大学的研究生拉尔夫·A·阿尔法(Ralph A. Alpher)和约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的罗伯特·赫尔曼(Robert Herman)等人通过战争时期得到的核物理数据,预测了早期宇宙中发生了哪些核过程,生成了哪些元素。阿尔法和赫尔曼还意识到,在现代宇宙中应该能找到大爆炸的残留物。